세포

 

1. 원핵세포

박테리아는 가장 단순한 구조를 가지며 리보솜 외에 다른 세포소기관을 갖지 않으며 DNA를 포함하는 핵조차도 없다. 핵을 가지고 있는 세포로 이루어진 생물을 진핵세포(eukaryote), 핵이 없는 세포로 이루어진 생물을 원핵세포(prokaryote)라 한다.

원핵생물은 세포벽을 가지고 그 바로 밑에 원형질막이 있어 DNA와 세포질을 포함하는 단일 구획을 감싸고 있다. 영양분이 충분하다면 20분에 한번씩 분열하여 11시간이면 1개가 80억 개의 집단을 이룬다. 원핵생물은 엄청난 개체수, 빠른 성장률, 유성생식과 유사하게 유전물질의 일부를 교환하는 능력, 영양분에 대한 빠른 적응력, 항생제 내성을 빨리 획득하는 능력 등으로 빠르게 진화할 수 있다.

 

영양분의 산화를 위해 산소를 사용하는 호기성 박테리아, 산소에 약간만 노출되어도 죽을 수 있는 혐기성 박테리아도 있다. 진핵세포 속 미토콘드리아는 호기성 박테리아가 진핵세포의 기원인 혐기성 생물과 공생하면서 진화한 것으로 보인다. 인간이 산소를 이용하는 물질대사작용도 결국 박테리아의 활동에서 유래한 것으로 볼 수 있다.

 

나무에서 석유에 이르기까지 박테리아는 탄소를 포함하는 어떤 유기물이든 영양분으로 사용할 수 있다. 무기물만으로도 살 수 있는 원핵생물이 있다. 이들은 이산화탄소로부터 탄소를, 질소 대기로부터 질소를 얻고, 공기, 물, 무기광물로부터 각각 산소, 수소, 황, 인을 얻는다.

 

* ‘아나베나’라는 박테리아는 식물처럼 광합성을 하여 이산화탄소로부터 유기분자를 합성하고, 질소를 고정한다(대기 중의 질소를 잡아서 유기화합물을 만드는 재료로 활용한다).

* ‘베지아토아’라는 유황박테리아는 황화수소를 산화하여 황을 만들어냄으로써 에너지를 얻고, 어둠 속에서 탄소를 고정할 수 있다.

 

식물도 박테리아의 도움없이는 대기 중 질소를 고정할 수 없어 어느 정도 박테리아에 의존한다. 엽록체도 식물세포의 세포질 속에 자리잡은 광합성 박테리아에서 진화되어 온 것으로 보인다.

 

원핵생물은 분자생물학적 차이에 의해 박테리아(bacteria)와 고세균(archaea)으로 구분된다. 고세균은 염분이 높은 바닷물, 화산의 뜨거운 산성온천, 공기 없는 해양의 침전토, 하수처리장의 폐수, 남극 대륙 표면을 덮은 얼음 아래 물속, 강산성이며 무산소 상태인 소의 위장에서 살며 셀룰로오스를 분해하여 메탄가스를 발생시킨다. 지구 역사상 대기에 산소가 풍부해지기 전 즉 생물체가 탄생하기 전 원시 지구의 환경과 매우 유사하다.

 

2. 진핵세포

아메바, 효모와 같은 일부 진핵생물은 단세포 생물체이나 대부분 다세포 생물로 살아간다. 식물과 동물, 그리고 곰팡이도 다세포 진핵생물이다.

 

핵(nuleus)은 두겹의 동심원으로 된 핵막(nucleus envelope)으로 둘러싸여 있고, 핵 안에는 생물체의 유전정보를 암호화한 긴 중합체인 DNA 분자가 있다. DNA 거대분자들은 세포가 2개의 딸세포로 분열할 때에는 응축되어 염색체(chromosome)의 형태로 전환되므로 광학현미경으로 관찰가능하다.

 

미토콘드리아(mitochondria)는 거의 모든 진핵세포에 필수템이다. 당류와 같은 영양물질의 산화과정에서 나온 에너지를 이용하여 모든 세포활동의 동력이 되는 필수 화학연료인 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)을 생산한다. 미토콘드리아는 마치 호흡처럼 산소를 소비하고 이산화탄소를 배출하는데 이를 세포 호흡이라 한다. 미토콘드리아가 없다면 에너지 획득 과정에서 산소를 이용할 수 없다. 자체의 DNA를 가져 복제되고 분열되며 박테리아와 유사성이 많다.

 

엽록체(chloroplast)는 동물이나 곰팡이에는 없고 오직 식물과 조류에서만 발견되는데 미토콘드리아보다 훨씬 더 복잡한 구조를 갖는다. 2개의 막을 갖고, 세포소기관 내에 엽록소(chlorophyll)라는 녹색 색소를 함유하는 막들이 포개진 형태의 다층구조를 갖는다. 엽록체는 태양에너지를 엽록소 분자에 모으고, 이 에너지를 함유한 물질인 당분자를 만드는데 이 과정에서 부산물인 산소를 방출한다. 이를 광합성 작용이라 한다. 식물세포도 동물세포처럼 필요한 때엔 그들의 미토콘드리아를 이용해서 자신이 만든 당류를 산화시킴으로 화학에너지를 생산한다. 또 엽록체가 만든 산소를 미토콘드리아가 이용하여 ATP 형태의 화학에너지를 생성한다. 엽록체도 자신의 DNA를 가지고 이분법을 통해 복제할 수 있어 초기 호기성 진핵세포에 의해 유입된 광합성 박테리아로부터 유래한 것으로 이해된다.

 

소포체(endoplasmic reticulum, ER)는 세포로부터 배출하기 위한 물질과 대부분의 막구성성분을 만드는 곳으로 단백질을 분비하는 세포에 많이 들어가 있는데 소포체의 특정 부위에 붙어 있는 검은 임자들은 세포 내에서 RNA 정보에 따라 단백질 합성을 수행하는 리보솜이다. 리보솜이 붙어있는 소포체를 조면소포체(rough ER), 없는 소포체를 활면소포체(smooth ER)라 한다.

 

막으로 싸인 편평한 주머니들이 포개져 있는 모양의 소포소기관을 골지체(Golgi apparatus)라 하는데, 소포체가 합성한 물질을 화학적으로 변형시키고 이들을 세포외로 배출하거나 세포 내 여러 다른 장소로 수송하는 데 관여한다.

 

리소솜(lysosome)에서는 세포 내 소화가 일어나 영양분을 유리하거나 불필요한 물질의 분해 및 재활용 또는 배설 등을 담당한다.

 

막은 수송소낭(transport vesicle)의 형성에도 참여하는데 이것은 세포소기관 간의 물질이동에 관여한다. 즉 수송소낭이 한 세포소기관의 막에서 떨어져 나와 다른 세포소기관의 막과 융합하면서 물질이 이동된다. 세포들끼리의 신호전달을 도와주는 호르몬이나 신호분자들은 대부분 세포외배출(exocytosis) 과정에 의해 세포외로 분비된다.

 

세포소기관들을 뺀 나머지 부분들을 세포기질(cytosol)이라 하는데 이것은 액상의 젤에 더 가까운 상태이다. 세포기질에서는 세포의 생존에 필수적인 화학반응이 일어나는데 예를 들어 영양물질의 초기분해과정이 일어나고 리보솜을 통해 세포에서 단백질합성이 일어난다. 세포기질은 단백질로 이루어진 길고 얇은 필라멘트들이 망사처럼 얽혀 있는데, 이러한 단백질 구조를 세포골격(cytoskeleton)이라 한다. 여기에는 3가지가 있는데 근육세포에 많고 근육의 수축에 필요한 기구의 주요 구성원인 액틴 필라멘트, 세포질에서 가장 굵은 필라멘트사인 미세소관(microtubule), 세포를 물리적으로 단단하게 하는 중간 필라멘트들이다. 미세소관은 세포분열 시 독특하게 배열되어 복제된 염색체를 서로 반대 방향으로 이동시켜 2개의 딸세포에 똑같이 분배되도록 한다.

 

생쥐 수정란의 DNA가 어떻게 물고기가 아닌 생쥐의 개체를 만들어내고 사람의 난자세포에 있는 DNA가 어떻게 생가 아닌 사람의 발생과정을 조절하고 있는지는 아직 이해하지 못하는 난제이다.

 

DNA에 의해 세포가 생성할 수 있는 단백질의 조합 수는 자동차 부품 리스트보다 길지 않으며 이들 구성요소의 대부분이 모든 동물에서 공통적일 뿐 아니라 전체 생물계에도 공통이다.

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<참고문헌>

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Bruce Alberts et al. 필수 세포생물학 제5판 2019.